スティック・スリップ現象を活かした新規ナノ周期加工法の開発 （岐阜大・工） ○学 堤貴文，正 1.緒論 近年，光学分野を中心に微細（ナノ－マイクロ） 周期構造の必要性が高まっている．この微細周期構造の 形成には，精密レーザー加工等が一般的であるが，工程が 簡易でなく高コストなことが難点である．機械加工によ る微細周期構造形成の例もあるが，サイズ面で難しい．ま た，機械加工ではスティック・スリップ *1（SS）と呼ばれ る摩擦振動が起こり，プロセス制御の邪魔をすることが 多々ある．そのため通常，摩擦とは抑制されるべき現象で ある．これに対し，我々は SS の振動周期がナノ－マイク ロ周期にもなりえる点に注目した．本研究では SS を活用 した微細周期構造形成法の開発に挑戦し，最終的には，可 視光波長程度の周期（約 380～750 nm）を持つナノ周期構 造の形成を目指す． 2.実験方法 ポリエチレンテレフタレート（PET）フィル ム（フタムラ化学製：FE-2000）に剃刀（フェザー製，FAS10）を押し当てながら，フィルムを移動させ，接触部で SS を発生させることによりフィルム表面への波状周期構造 の形成を試みた．Fig.1 に本加工法の模式図を示す．本加 工では，加工荷重 T（フィルムへの負荷荷重），加工角度 θ（フィルム曲げ角度），加工速度 V（フィルム巻き取り速 度），刃の自由端長さ L を変更することができる.加工後の フィルム表面を，走査型電子顕微鏡（SEM）および走査型 プローブ顕微鏡（SPM）を用いて観察し，周期構造が確認 できた場合には，その周期（間隔）と深さから，周期構造 を評価した． 3.実験結果 Fig.2 中の SPM 像は，加工後の PET フィルム 表面であり，図の左右方向が加工方向である．これより， SS によるナノ周期構造の形成に成功していることが分か る（図の上下方向の白色縞線部が波状周期構造の山部）． そこで次に，加工条件が周期構造に及ぼす影響を調べた． Fig.2 は SS 構造周期に対する加工角度 θ の影響について 調べたものでる．これより，θ を鋭角にするに従い，周期 が大きくなることが分かる．また，本予稿には未記載だが， θ を鋭角にするに従い，周期構造の谷部の深さが深くなる ことも分かっている．同様に加工荷重 T の関しても，T が 大きくなるに従い，SS 構造周期が大きくなり，周期構造 の谷部の深さが深くなった．なお，本実験で形成された構 造の周期は，数百 nm から数百 µ m の広範に渡った． 4. 考察 中野ら 1) によると，SS 現象は以下の式により表 される． λ= (µ s − µ k )W 内藤圭史，正 屋代如月 て λ の上昇に従い，(2)式より ASS が大きくなることが分 かる．Fig.2 の結果は，上述のことから予測される通り， θ が小さくなるに従い構造周期が大きくなる傾向を示し た．また，T（W は T の関数）に関しても同様であり，T の増加に従い ASS が大きくなる傾向が得たれた．このこと より，フィルムの接触力 W は ASS と強い相関関係がある と分かる．但し，実際の系は弾性体であり， SS 加工時に は表面を削る摩耗現象が起こっている．式(1)および(2)に は，これらの寄与が含まれていないため，現状では入力 （加工条件）から出力（SS 構造周期）を直接的に求めら れていない．今後 SS 構造周期を予測するためには，W の 関数である刺込量や摩耗量の寄与を考慮し，式(2)を修正 する必要がある． 5. 結言 本研究の成果を以下に記す． （1）SS 現象を活用することにより，簡易にナノ周期構造 を形成する加工法の開発に成功した． （2）接触力の調整により，形成されるナノ周期構造の形 態制御が可能であることが明らかとなった． 謝辞 本研究は越山科学技術研究助成金を受けて実施し た．また，PET フィルムはフタムラ化学㈱より提供頂いた． ここに感謝の意を表する． 参考文献 （1）中野健・田所千治・前川覚，日本ゴム協会誌，85‐ 10（2012），313． Fig.1 Schematic diagram of SS processing. ・・・(1) V mk ASS = V ⋅ m(1 + λ2 ) k ・・・(2) 上式は剛性体およびクーロン摩擦則を前提としており，λ はスティックスリップパラメータと呼ばれ，質量 m，剛性 k，垂直荷重 W，駆動速度 V，静摩擦係数 µs，動摩擦係数 µk を集約した無次元量であり，ASS は振幅である．ここで， 本研究における SS 構造周期は 2ASS と同質である．また， 垂直荷重 W は剃刀とフィルムの接触力であり， W=2Tgcos(θ/2)である．つまり，θ が小さくなるに従い W が大きくなり，このとき(1)式より λ が大きくなる．そし Fig.2 Processing angle dependency of SS period for SS processed film. Processing conditions: T=400g, V=10 mm/min, L=1 mm. (The SPM image is the surface of the SS processed film) *1・・・SS 現象：摩擦面間に生ずる微視的な摩擦面の付 着，滑りの繰り返しによって引き起こされる自励振動．
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